1. La química y los nuevos materiales
11/1/2013
LA QUÍMICA Y
LOS NUEVOS
MATERIALES
Lluís Campos Vicens
Sergio Navarro Velázquez
José Alberto Guerrero Castillo
Sebastià Barceló García
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2. La química y los nuevos materiales
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Índice
Introducción
1. Materiales Cerámicos
-Definición
-Etapas
-Propiedades Generales
-Composites o Materiales Compuestos
 Superconductividad
 Levitación Magnética
-Aplicaciones de los materiales cerámicos
2. Grafeno y Siliceno
-Grafeno
 Descubrimiento
 Propiedades asociadas a posibles aplicaciones
-Siliceno
3. Kevlar
-Definición
-Historia
-Síntesis química
-¿Cómo son realmente las moléculas de kevlar?
-Tipos de fibras de Kevlar
-Propiedades
 Físicas
 Químicas
-El Kevlar en la industria
 Industria armamentística y militar
 Industria musical
 Industria naval y aeroespacial
4. Vidrios metálicos y Aleaciones nanocristalinas.
-Vidrios Metálicos
 Propiedades
-Aleaciones nanocristalinas
 Composición
 Aplicaciones
Bibliografia
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3. La química y los nuevos materiales
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Introducción
Los materiales, representan uno de los campos de estudio más interesantes de
la química y la física. Todo lo que nos rodea está compuesto por materiales concretos
con propiedades específicas que confieren a los objetos su utilidad. Por eso es
interesante ver como la ciencia avanza en el estudio y descubrimiento de materiales
novedosos con cualidades extraordinarias, que nos hacen a todos la vida más fácil,
cómoda y segura.
En este trabajo nos hemos centrado en aquellos nuevos materiales que
actualmente están teniendo gran éxito debido a las grandes ventajas que ofrecen
respecto a los materiales convencionales. El papel que tiene la química es
imprescindible, puesto que se dedica a modificar las propiedades de estos compuestos,
con el objetivo de crear materiales cada vez más resistentes, ligeros, aislantes,
conductores, etc.
Parece increíble que por ejemplo, tras un simple neumático haya toda una
gran investigación, un conjunto de científicos que han pasado horas en un
laboratorio, por el simple hecho de reducir el coeficiente de rodadura y crear
neumáticos más duraderos.
Respecto a la organización del trabajo, ha habido un reparto homogéneo, cada
uno de nosotros ha realizado aproximadamente el 25%. El contenido lo hemos
repartido por materiales o grupos de materiales, explicando sus características, sus
propiedades, aplicaciones… con la finalidad de que se tenga una idea clara de cada
uno de ellos.
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1.-Materiales cerámicos
Definición
Los productos cerámicos son materiales sólidos inorgánicos no metálicos,
formados por enlaces covalentes o iónicos, pueden ser cristalinos o no cristalinos.
Etapas
Principalmente podemos distinguir dos generaciones de cerámica.
- Hasta la segunda mitad del siglo XX, los materiales más importantes de esta
clase eran las denominadas cerámicas tradicionales, compuestos en los que la materia
prima es la arcilla; los productos considerados dentro de esta familia son la porcelana
fina, porcelana para aislantes eléctricos, ladrillos, tejas, baldosas y también vidrios y
cerámicas refractarias.
- En la década de los 60-70 surge una nueva generación, las cerámicas
avanzadas. Desde un punto de vista químico se trata de óxidos, carburos o nitruros, de
gran pureza química, constituidos con diferentes elementos, tales como Al, Si o B. Estas
nuevas cerámicas poseen unas propiedades físicas muy interesantes que conducen a
aplicaciones en las que se requieren especificaciones muy exigentes.
Abrasivos,
motores, blindajes, materiales superconductores
El empleo de productos cerámicos como materiales de ingeniería ha estado
limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. Una pieza cerámica
normalmente se hace añicos porque las uniones interatómicas son muy fuertes y rígidas.
Bajo presión todas las fuerzas de atracción se concentran al final de la línea de la fisura,
hasta que se rompen más uniones moleculares, con lo cual la grieta se agranda y la
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pieza se fractura. Por tanto una característica propia de su estructura son los defectos
(defectos puntuales, dislocaciones, límites de grano, defectos volumétricos (porosidad),
etc).
Propiedades Generales (debidas a sus fuertes enlaces inter-atómicos)

Alta dureza y rigidez (elevado módulo de Young),

Aislantes térmicos y eléctricos

Poseen una importante inercia química frente ambientes hostiles (elevada
durabilidad)

Altos puntos de fusión.

Relativamente resistentes a las acciones de compresión.

Pequeño contenido en dislocaciones dificulta su deformación plástica, de manera
que las Cerámicas son muy frágiles y tienen un débil comportamiento frente a los
esfuerzos de tracción o impacto (se rompen fácilmente).
Composites o Materiales Compuestos
Se suele decir que la unión hace la fuerza, pues en este caso podemos utilizar la
expresión, ya que los materiales cerámicos, son mucho más fuertes cuando se forman a
partir de una mezcla compleja de dos o más materiales. Semejantes mezclas reciben el
nombre de composites. Los materiales compuestos más eficaces se forman por la
adición de fibras cerámicas a un material cerámico.
Así, el material compuesto consiste en una matriz cerámica que contiene fibras
embebidas de un material cerámico, que podría o no tener la misma composición
química que la matriz. Estas fibras suelen tener una resistencia elevada cuando se
someten a cargas aplicadas a lo largo de su eje longitudinal, y estas al estar incorporadas
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a la matriz, le aportan gran resistencia ante deformaciones a lo largo del eje
longitudinal.
Un ejemplo, es el caso del carburo de silicio, SiC, o
carborúndum. El primer paso de la producción de fibras de SiC
es la síntesis de un polímero, polidimetilsilano:
Cuando este polímero se calienta a
400ºC, se convierte en un material que tiene
átomos de carbono y silicio alternantes a lo largo
de la cadena.
Las fibras formadas a partir de este polímero se calientan hasta 1200° C en una
atmósfera de nitrógeno para expulsar todo el hidrógeno y todos los átomos de carbono
excepto los que enlazan directamente los átomos de silicio.
El producto final es un material cerámico con composición SiC, en forma de fibras.
También podemos fabricar fibras cerámicas con otras composiciones, a partir de
diferentes polímeros orgánicos, utilizando métodos equivalentes.
Una vez que tenemos las fibras, se añaden al material cerámico procesado, así
obtenemos un producto con una mayor resistencia a la rotura.
SUPERCONDUCTIVIDAD
Una de los más importantes descubrimientos referidos a los materiales
compuestos, es la superconductividad, una propiedad que poseen compuestos como el
YBa2Cu3O7-x Yttrium barium copper oxide, compuestos no estequiométricos con
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propiedades superconductoras hasta altas temperaturas críticas. En estos citados
superconductores la existencia de vacantes de oxígeno y la especial disposición de los
iones cobre, posibilita que tengan una resistividad eléctrica prácticamente nula a
temperaturas superiores a 100K.
En 1987 Bednorz y Müller descubrieron que los óxidos de cobre con estructura
de perovsquita, eran superconductores con temperaturas críticas superiores a 90K.
Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon un
renovado interés en la investigación de la superconductividad.
Este fenómeno se explica por el hecho de que hace pasar los electrones por parejas o
"pares de Cooper”. Esta propiedad abriría las puertas a muchas aplicaciones
comerciales, sobre todo si
se descubrieran materiales
con temperaturas críticas
aún mayores ( a la T de
ebullición del N líquido).
LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Un superconductor puede tener como característica
la denominada levitación
magnética, es decir, que el campo magnético inducido por un campo magnético externo
débil es cero en su interior cuando éste
es
enfriado
temperatura
por
debajo
de
de
su
transición
superconductora. Este fenómeno es
El nitrógeno líquido en ebullición, mantiene al
superconductor en un estado de resistencia nula, al
aproximar su temperatura al cero absoluto. Cuando el imán
desciende hacia el superconductor, induce una corriente
eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al
del imán. Como el superconductor no tiene resistencia
eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el
imán suspendido indefinidamente
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conocido como efecto Meissner-Ochsenfel y es el que permite que los imanes leviten
sobre un superconductor (diamagnético perfecto).
Como
es
lógico
esta
propiedad
de
los
imanes
superconductores, tiene gran variedad de aplicaciones.
-Aceleradores de partículas
-Levitación de trenes
-Conductores. Transporte de altas corrientes
-Imágenes por resonancia magnética
-Separación magnética
Aplicaciones de los materiales cerámicos
Los materiales cerámicos más utilizados, son: Alúmina, Nitrato de aluminio,
nitrato de bario, carburo de boro, diamante, sílice, o sálica, carburo de silicio, salón,
dióxido de titanio, boruro de titanio, oxido de zinc, ferrita.
Los campos de aplicación diversos:
-Electricidad: Dieléctrico para capacitores, óxidos conductores, súper conductores,
aisladores, electroópticos.
Los materiales cerámicos desempeñan un papel importante en la industria
electrónica. La mayoría de circuitos semiconductores se
montan en un sustrato de cerámica, por lo regular
alúmina. Algunos materiales cerámicos, notablemente
el cuarzo (SiO2 cristalino), son piezoeléctricos, es decir,
generan un potencial eléctrico cuando se les somete a
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un esfuerzo mecánico, lo cual posibilita el empleo de materiales piezoeléctricos para
controlar las frecuencias en los circuitos electrónicos.
-Magnéticos: medio para grabación, tarjetas de crédito, ferrofluidos, circuladores,
aisladores, inductores, imanes… (ferritas).
-Ópticos: Fibras ópticas, vidrios, láser, Iluminación.
-Automotríz: Sensores de Oxigeno, celdas de combustible, apoyo catalítico, bujías,
neumáticos, frenos, ventanas.
-Químicos: Catalizador, filtración de aire y líquidos, sensores, pinturas, hule
-Biomédicos: Prótesis, odontológicos, imagen por ultrasonido.
-En el sector Industrial se utilizan para varias finalidades:
Gran importancia de los composites en la fabricación de herramientas de corte,
Por ejemplo, la alúmina (Al2O3) reforzada con finas fibras de carburo de silicio (SiC) se
usa para cortar y maquinar hierro colado y aleaciones más duras a base de níquel.
También se utilizan materiales cerámicos (carburo de silicio o zirconita) en las ruedas
de amolar y otros abrasivos a causa de su excepcional dureza.
También se usan materiales cerámicos como recubrimiento de determinadas
superficies, con el objetivo de actuar como barrera térmica que evite el
sobrecalentamiento, como el Carburo de Boro (B4C). Esta técnica se utiliza por
ejemplo, en los transbordadores. Las placas se suelen fabrican con fibras de sílice cortas
de alta pureza reforzadas con fibras de boro silicato de aluminio.
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2.-Grafeno y siliceno
Grafeno:
DEFINICIÓN
Las minas de los lápices están hechas de un material que es 100% carbono, el
grafito. Éste está compuesto por miles y miles de láminas unidas entre sí por fuerzas de
Van der Waals. Estas láminas son lo que se conoce como grafeno.
El grafeno es un material compuesto
por una capa monoatómica de carbono. Los
átomos de carbono están unidos formando
hexágonos. Cada átomo está unido a dos
átomos vecinos covalentemente por enlaces
simples de 1,42Å de longitud formados mediante la superposición de orbitales sp2
(enlaces tipo σ). El electrón de valencia sobrante se coloca en un orbital p,
perpendicular a los sp2, formando enlaces tipo π en resonancia con los tres carbonos
circundantes. Estos enlaces resonantes acaban conformando un gigantesco orbital
molecular con electrones deslocalizados, lo cual aporta algunas propiedades peculiares a
este material.
DESCUBRIMIENTO
Aunque en los últimos años este material ha prometido revolucionar la
tecnología en todos los sentidos, no es un descubrimiento reciente. Ya en los años 50’ se
había definido por completo su estructura. Sin embargo, se consideraba imposible su
utilidad práctica dado que se creía que era demasiado inestable a temperatura ambiental.
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Pero en 2004, un físico de la universidad
de Manchester y un estudiante de doctorado
demostraron que no era así. De hecho, este
descubrimiento no fue más que una casualidad.
Andre Geim y Konstantin Novoselov, que así se
llaman, estaban estudiando el grafito. La superficie del grafito tiene impurezas y es
necesario pulir su superficie, para lo cual se pega una tira de cinta adhesiva y se arranca.
Normalmente, estas tiras adhesivas eran desechadas sin más miramientos, pero un día a
Novoselov se le ocurrió mirar en una de ellas. Entonces descubrió que, entre las miles
de laminillas que habían quedado pegadas a la cinta, algunas habían conformado
monocapas cristalinas de grafito, o sea, grafeno, cuyas propiedades revolucionarían la
física de los materiales.
Andre Geim y Konstantin Novoselov obtuvieron el premio Nobel de física en
2010 debido a éste revolucionario descubrimiento.
PROPIEDADES ASOCIADAS A POSIBLES APLICACIONES

Puede formar compuestos con diferentes propiedades, lo cual le confiere gran
cantidad de posibilidades. Por ejemplo, se puede combinar con el silicio para la
fabricación de aparatos electrónicos de alto rendimiento.

Alta conductividad eléctrica en las condiciones apropiadas, debida a su enorme
orbital molecular con átomos deslocalizados. Es parecido a un trozo de metal,
donde los electrones también están deslocalizados, pero con la diferencia de que
se trata de enlaces covalentes.
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
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Alta conductividad térmica. Esto, unido
a su forma plana y su capacidad para
integrarse con el silicio podría jugar un
papel importante en la disipación de calor
de dispositivos electrónicos. Se está
trabajando actualmente en el diseño de transistores ultra rápidos enfriados por
grafeno.

Es semiconductor, lo cual significa que puede ser conductor o aislante
dependiendo de factores como el campo eléctrico o magnético, la presión, la
radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.

Alta dureza y elasticidad. Es unas 200 veces más duro que el acero, casi como
el diamante. Ya se están fabricando pantallas flexibles a partir de éste material,
que además no se rallarán.

Elevada resistencia. Se han hecho pruebas que confirman que es el material
más fuerte que se conoce. Se podrá utilizar para la fabricación de chalecos
antibalas, hasta 12 veces más resistentes que los actuales, hechos con kevlar.

Tiene una densidad tan alta que no deja pasar ni los átomos de helio, que son
los más pequeños que se pueden encontrar individualmente en forma de gas. Sin
embargo, el agua sí que lo atraviesa. Esto es extremadamente útil para la
construcción de desaladoras de agua. El método consistiría en empujar el agua
marina a través de un filtro de grafeno del grosor de un átomo. El filtro tendría
diminutas perforaciones que permitirían que a través de las mismas pasase el
agua pero no las moléculas de sal. Es lo que se conoce como ósmosis
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inversa pero dada la increíble delgadez que puede adoptar al grafeno el método
potenciaría en dos o tres órdenes de magnitud su eficiencia en comparación con
los métodos tradicionales pudiendo llevar a cabo el proceso hasta 1.000 veces
más rápido.

Soporta la radiación ionizante, es decir, la que es capaz de producir iones al
interactuar con los átomos.

Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio. Los circuitos
basados en el grafeno no solo serán más rápidos sino que también serán mucho
más eficientes energéticamente.
Siliceno
Aún no se ha desarrollado todo el potencial del grafeno y ya le ha aparecido un
competidor, el siliceno. El siliceno es una forma alotrópica del silicio (Si) como el
grafeno lo es del carbono. Tiene la misma estructura que éste, es decir, se trata de una
capa monoatómico de silicio, donde los átomos se unen formando hexágonos. También
comparten la mayoría de propiedades.
Aunque la mayoría de lo relacionado con este novísimo material son meras
especulaciones, ya se ha llevado a cabo la formación de siliceno sobre láminas de plata
y de diboruro de circonio (ZrB2), un material de tipo cerámico. Una de las ventajas del
siliceno sobre el grafeno es que sus bordes no tienden a combinarse con el oxígeno.
Además, su reacción con el hidrógeno es muy exergónica, con que sería útil para
almacenarlo, quedando como resultado silicano (siliceno hidrogenado). A esto hay que
añadir que actualmente la mayoría de procesadores informáticos ya están hechos de
silicio, así que la integración del siliceno en este campo será mucho más sencilla que la
del grafeno.
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2.-El Kevlar
Definición
El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida (polímero que
contiene enlaces de tipo amida) sintetizada por primera vez en 1965 por la
química Stephanie Kwolek. quien trabajaba para DuPont (es una empresa multinacional
de origen estadounidense, dedicada fundamentalmente a varias ramas industriales de
la química, que actualmente cuenta con unos 59.000 empleados en todo el mundo,
siendo una de las más grandes empresas de química del planeta). La obtención de las
fibras de Kevlar fue complicada, Herbert Blades solucionó el problema de
qué disolvente emplear para el procesado. DuPont empezó a comercializarlo en 1972.
Es muy resistente y su mecanización resulta muy difícil.
Historia
El descubrimiento supuso un gran avance en el
desarrollo de nuevos materiales poliméricos. A comienzos de
la década de los 1960, la compañía DuPont estaba interesada
en obtener una fibra más resistente que el Nylon. Hasta
entonces las soluciones empleadas para la formación de fibras
eran transparentes, por eso cuando trabajando con poli-parafenilen-tereftalamidas y polibenzamidas obtenían soluciones opalescentes, estas eran
descartadas. A pesar de ello, un día Kwolek decidió buscar el producto de esas
soluciones. El resultado fue una fibra más resistente que el Nylon, que hoy en día es
sinónimo de alta resistencia y que actualmente se usa en más de 200 aplicaciones
diferentes.
"Me enamoré tanto de mi trabajo, que se me olvidaron los estudios de medicina
y en su lugar, continúe trabajando para DuPont," señaló Kwolek, quien pasó la mayor
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parte de su carrera de 40 años en DuPont en la Estación Experimental de Wilmington.
"Y creo que el motivo por el que continué, fue que tenía mucha libertad, y había mucha
emoción porque constantemente hacíamos inventos de una clase o de otra."
Síntesis química
La síntesis de este polímero se lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y
cloruro de calcio, a través de una polimerización por pasos a partir de la pfenilendiamina y el dicloruro del ácido tereftálico o cloruro de tereftaloílo. La reacción
se lleva a cabo a temperaturas bajas debido a su gran exotermicidad. Posteriormente el
polímero se hace precipitar y se disuelve en ácido sulfúrico concentrado en el cual
Kevlar forma una solución cristalina que se emplea para precipitar o coagular las fibras
a la vez que se estiran mediante un sistema de hilado.
La síntesis química de Kevlar a partir de (para-fenilendiamina) y cloruro de tereftaloílo.
¿Cómo son realmente las moléculas de Kevlar?
Los químicos pensaban que los compuestos aromáticos del Kevlar tenían alguna
relación con su fuerza. El desafío era descubrir cómo orientaron estos grupos
aromáticos dentro de una fibra de Kevlar. Con la luz del sincrotrón, es posible detectar
la presencia de diversos grupos de átomos, gracias a la absorción selectiva de la luz.
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Se puede utilizar un tipo especial de radiografía, llamada microscopía, para
revelar
la
moléculas
orientación
en
de
determinados
materiales. En el sincrotrón
nacional de Nueva York, se
obtuvo esta imagen de una
fibra de Kevlar:
El patrón demuestra que los componentes aromáticos de Kevlar tienen una
orientación radial. La orientación radial es importante porque permite que las cadenas
del polímero sean simétricas como los átomos en un cristal. Esto proporciona un alto
grado de simetría y de regularidad a la estructura interna de las fibras. Debido a esta
estructura, una fibra de Kevlar tiene pocos defectos estructurales. Esta carencia de
defectos es la razón más importante de la fuerza excepcional del Kevlar.
Tipos de fibras de Kevlar
· Kevlar 29: es la fibra tal y como se obtiene de su fabricación. Se usa típicamente
como refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas, o para tejidos.
· Kevlar 49: se emplea cuando las fibras se
van a impregnar en una resina para formar
un material compuesto. Las fibras de Kevlar
49 están tratadas superficialmente para
favorecer la unión con la resina.
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Propiedades
FÍSICAS
· Alta rigidez: El Kevlar posee una excepcional rigidez para tratarse de una fibra
polimérica. El valor del módulo de elasticidad a temperatura ambiente es de entorno a
80 GPa para el Kevlar29 y 120 GPa para el Kevlar49.
· Alta resistencia: El Kevlar posee una excepcional resistencia a la tracción, de entorno
a los 3.5 GPa, debido a la disposición radial de sus moléculas como ya hemos explicado
anteriormente.
· Alta elongación a rotura: El Kevlar posee una elongación a rotura de entorno al 3.6%
para el Kevlar 29 y 2.4% para el Kevlar 49. Esto hace que el Kevlar sea un material más
tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su rotura.
· Alta tenacidad: La tenacidad (energía absorbida antes de la rotura) del Kevlar es en
torno a los 50 MJ m-3, frente a los 6 MJ m-3 acero.
· Temperatura de fusión: El Kevlar descompone a altas temperaturas entre unos 420480 grados centígrados.
· Módulo elástico: El módulo elástico se reduce entorno a un 20% cuando se emplea la
fibra a 180 grados centígrados durante 500 h.
· Alta dureza: es bastante duro tiene más o menos la misma dureza que el acero.
· Contracción termal baja: sus dimensiones no varían notablemente al disminuir la
temperatura.
· Estabilidad termal: Las temperaturas hasta 200°C tienen poco o nada de efecto en las
características eléctricas y mecánicas del Kevlar.
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· Alta resistencia al corte: El Kevlar es un material muy difícil de seccionar debido a
su alta rigidez, tenacidad y dureza.
· Estabilidad dimensional excelente: Propiedad que tienen ciertos materiales que al ser
sometidos a cambios de temperatura y humedad no pierden su forma y mantiene sus
dimensiones originales.
QUÍMICAS
· Conductividad eléctrica baja: lo que le proporciona ser un gran material aislante
· Alta resistencia química: tiene una alta resistencia sobre todo a agente químicos
corrosivos y abrasivos.
El Kevlar en la industria
INDUSTRIA ARMAMENTÍSTICA Y MILITAR
· Los policías necesitan ser equipados y entrenados para ocuparse de situaciones
violentas y peligrosas, y esto significa tener la mejor ropa protectora personal posible.
El chaleco se puede diseñar para balas, puñaladas, protección de impactos, o cualquier
combinación de éstos. El equipamiento debe proporcionar también protección contra el
fuego, el calor y el ataque químico. Estos elementos son fabricados en la actualidad a
base de Kevlar, el cual confiere todas estas propiedades.
· El Kevlar se utiliza para muchos usos militares que se extienden en muchos
ámbitos: la fragmentación y la protección antibalas, equipos antiminas, los bolsos de los
paracaídas del asiento del eyector y los guantes protectores, entre otros.
Este chaleco de protección antibalas y antiimpactos está
fabricado con una combinación de Kevlar y Nomex, donde el
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Nomex proporciona una resistencia adicional ante el fuego, las explosiones y la
abrasión.
INDUSTRIA MUSICAL
Los altavoces de Kevlar hicieron su aparición a mediados de los ochenta con la
empresa francesa Focal y la
alemana Eton, con los Eton
teniendo
una
amortiguación
superior debido a la estructura de
nido de abeja Nomex de más alta
pérdida separando las capas de
Kevlar frontal y trasera. Eton y
mas actualmente las unidades de Kevlar de Scan-Speak comparten ahora estar en el
candelero con la más alta tecnología mundial en altavoces. Los conos de los altavoces
de Kevlar se comportan muy bien en bajas frecuencias pero no en altas. La duración de
los conos también es mayor y las fibras casi no sufren deformación por lo que, aunque
sean algo más caras, son más rentables. Estos altavoces son utilizados mayoritariamente
en estudios de grabación.
INDUSTRIA NAVAL Y AEROESPACIAL
· Fabricación de kayaks sobre todo para regatas en ríos bravos y con numerosas
rocas, gracias a su resistencia al impacto (sin carga adicional).
· Fabricación del casco de veleros de regatas de alta competición, debido a su
alta resistencia al impacto y a su ligereza y al aerodinamismo que proporciona a la
embarcación.
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· Las alas de los aviones comunes que eran de aluminio han sido sustituidas por
alas a base de Kevlar, ayuda a disminuir el peso, la corrosión galvánica y aumenta la
fuerza lo cual lo hace muy superior al núcleo de aluminio más pesado, más débil y
susceptible a la corrosión que ha utilizado en el pasado.
· La Fibra de Kevlar ha demostrado que es suficientemente fuerte como para
sobrevivir a las fuerzas extremas y fluctuaciones de temperatura de los viajes espaciales.
Cuando el Mars Pathfinder aterrizó en la superficie de Marte, el Kevlar reforzó los
cojines inflables de aterrizaje y las cuerdas que los aseguraban. Kevlar es también
utilizado en satélites de comunicaciones y también en los transbordadores espaciales
para ayudar a protegerlos contra los impactos de desechos suspendidos en el espacio.
4.-Vidrios metálicos y aleaciones nanocristalinas.
Vidrios metálicos
Los vidrios metálicos y las aleaciones nanocristalinas están cada vez más
presentes sin dejar de desafiar a los investigadores en ciencia de materiales para lograr
nuevas aleaciones, aplicaciones y productos. Los materiales como vidrios metálicos, no
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son más que aleaciones que presentan silicio confiriéndoles cualidades que de otra
forma no tendrían.
El término vidrio metálico (en inglés “glassy metal”) hace referencia a un
material metálico con una estructura interna sin un orden atómico como la de un vidrio.
Es decir, mientras un material metálico tradicional posee una estructura ordenada de
átomos llamada estructura cristalina, los vidrios metálicos poseen el desorden atómico
típico de los líquidos.
Los primeros vidrios metálicos se sintetizaron en el Instituto técnico de California
(CALTech) a principios de los sesenta.
Estaban investigando sobre la retención de fase en aleaciones del tipo Cu-Ag,
Ag-Ge y Au-Si. El método de
fabricación
consistía en eyectar la aleación fundida sobre
una superficie fría dando lugar a una fina capa
de metal rápidamente solidificada. Enfriando
rápidamente
una
aleación
de
Au80Si20
obtuvieron el inesperado resultado de un sólido
con estructura atómica desordenada.
El material permanece en un equilibrio meta-estable; por lo tanto, si es sometido
a un tratamiento térmico éste puede inducir la cristalización hacia otras fases estables o
meta-estables.
Lograr amorfizar una aleación metálica no siempre resulta fácil; para ello es
necesaria la combinación de dos factores:
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1) Una velocidad de enfriamiento suficientemente rápida para “congelar” la estructura
desordenada que posee el material fundido.
2) Elementos inhibidores de la cristalización en la composición química de la aleación.
En el caso mencionado del experimento con la aleación Au80Si20, la primera condición
se cumple al ser eyectado el material sobre la superficie fría lo que resulta en una
velocidad de enfriamiento del orden de 105 °C/seg, y la segunda condición viene dada
por el contenido del 20% de Silicio.
Para fabricar metales amorfos se usa el método de colada continua. Se vierte la
aleación fundida sobre una rueda fabricada de un material de alta conductividad
térmica, que va girando a una velocidad tangencial de unos 40 m/s. De esta forma se
consigue obtener vidrios metálicos de 20 a 60 micrómetros.
Siete años más tarde, en el CALTech desarrollaron un nuevo vidrio metálico,
pero de mucho mayor interés comercial ya que era la primera aleación amorfa
ferromagnética.
La aleación presentaba la siguiente fórmula: Fe80P13C7.
PROPIEDADES
Entre las distintas propiedades de este nuevo tipo de material podemos citar su
capacidad de conducir corriente eléctrica (aunque en un orden de magnitud menor a la
de los cristalinos), poseer un ferromagnetismo blando muy atractivo superior al de las
aleaciones tradicionales y una excelente resistencia a la corrosión. Desde el punto de
vista del comportamiento mecánico, la capacidad de deformación plástica se ve afectada
por el desorden atómico que impide el libre movimiento de las dislocaciones. También
por esta razón, la resistencia mecánica es muy superior a la de los metales
convencionales, acercándose al límite teórico de su resistencia máxima.
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Vistas las propiedades de este material, se entiende que su uso más extendido es
formar parte de los imanes blandos (se imantan y desimantan con respecto al campo
magnético externo) de los transformadores de la red eléctrica.
Una de las más grandes ventajas que tienen los transformadores con núcleo
amorfos (AMDT, de sus siglas en inglés, amorphous magnetic distribution
transformers) es su bajísima pérdida en vacío, que es hasta un 80% menor que la
pérdida en los transformadores tradicionales, disminuyendo en forma significativa tanto
el consumo eléctrico como el calor disipado por la unidad. Otra ventaja de los AMDT
es que pueden usarse tanto para baja frecuencia como para alta. Para esta última
aplicación logramos una disminución considerable de peso con respecto a los
transformadores de ferrita.
Aleaciones nanocristalinas
En 1988, investigadores de la Hitachi Metals descubrieron un nuevo tipo de
material con propiedades magnéticas blandas superiores a las de los vidrios metálicos.
Se trata de sistemas con estructuras nanocristalinas que se obtienen a partir de la
cristalización controlada de aleaciones amorfas y que poseen granos de dimensiones
comprendidas entre 10 y 20 nm inmersos en una matriz amorfa.
Estos nuevos materiales nanocristalinos (aleaciones base Fe o Co) mejoran las
propiedades de su precursor amorfo mostrando una alta imanación de saturación y
magnetostricción casi nula. El material desarrollado por la Hitachi se obtiene partiendo
de un vidrio metálico que se somete a un tratamiento térmico de una hora a una
temperatura de recocido de 550 °C.
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COMPOSICIÓN
Su composición química es Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 y la estructura interna se
encuentra divida en dos fases: la fase cristalina que representa un 60% de total del
volumen del material, y está formada por nanogranos de fase α-Fe(Si) de ~20 nm de
diámetro con un contenido de Si cercano al 20%, y la matriz amorfa de composición
rica en Fe, B y Nb. Gracias al valor negativo de λ de la fase cristalina y del positivo de
la fase amorfa se logran valores de magnetostricción prácticamente despreciables.
También se puede encontrar este material compuesto por diferentes aleaciones como
(Fe-Co-M-B-Cu) donde M = Zr, Hf, Nb.
APLICACIONES
Actualmente varias empresas comercializan pequeñas bobinas, transformadores
y filtros magnéticos confeccionados con material nanocristalino.
El uso más difundido de los metales amorfos magnéticos es para núcleos de
transformadores (actualmente limitado a 10 MVA) ya que son claves para la
optimización de la energía. Existen varios proyectos en Europa para impulsar el uso de
los transformadores AMDT mientras que en la Argentina está en elaboración un plan
para el desarrollo de AMDT.
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25. La química y los nuevos materiales
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